论文总字数：30626字

摘 要

04012213 陶雷

指导教师：王捷

基于多普勒雷达的非接触式生命体征探测技术在医疗领域得到越来越多的关注。雷达发射电磁波被人体反射后，由于心脏和胸腔的活动使得发射信号发生相位调制，通过解调来检测心跳和呼吸信息。该探测系统主要包括硬件部分的雷达发射接收以及软件部分的数字信号处理。本论文正是基于最基本的原理，在STM32上完成信号处理算法，主要工作如下：

一、分析了多普勒雷达工作原理，用小角近似理论和非线性分析指出解调基带信号的盲点和最优点问题，从理论上推导了谐波干扰产生的原因；

二、构建了系统的基本框图，提出了正交接收机和完整的信号处理过程，用初始相位还原解决了谐波问题，分析和比较了多种插值算法，得出插零滤波是最优方案；

三、完成了信号处理算法在STM32上的实现，分析了每个过程的运行结果，得出了正确的心跳呼吸信息。

本论文最后总结了信号处理方案的优点与不足，并给出了未来的发展趋势。

关键字：多普勒雷达 非接触式 谐波分析 插值算法 STM32

Abstract

The technology of non-contact vital signs detection based on Doppler radar gets more and more attention in medical field. After the radar transmitting electromagnetic wave reflected by human body, the heart and chest activities make the signal phase modulated. And the information of cardiopulmonary can be detected by demodulation. The detection system mainly includes hardware parts such as radar transmitter and receiver, and software parts such as digital signal processing. Based on that basic principle, this paper completes the digital signal processing algorithm on STM32, and the main work is as follows:

1. Analyze the principle of Doppler radar. With the small-angle approximation and nonlinear analysis, the optimum phase-demodulation sensitivity and the null point of baseband signal is proposed. Harmonic interference is also deduced in theory.

2. Build the basic block diagram of this system, Put forward a quadrature receiver method and complete signal processing steps. Harmonic interference is solved by restoring the initial phase. Several interpolation algorithms are compared and analyzed. It is concluded that filtering after inserting zero is the optimal scheme.

3. Complete the digital signal processing algorithm on STM32, analyze the running result of each process and gain the correct respiration and heart information.

This paper finally summarizes the advantages and shortcomings of signal processing scheme, and future development trend is presented.

Keywords:  Doppler radar, Non-contact, Harmonic analysis, Interpolation algorithm, STM32

目录

摘要 I

Abstract III

目录 V

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 生命体征探测基本概念与应用 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本论文研究内容 3

1.5 本论文结构安排 3

第二章 生命体征探测的基本原理 4

2.1 多普勒雷达的原理 4

2.2 小角近似和非线性分析 5

2.3 谐波干扰 5

2.4 本章小结 6

第三章 系统结构与信号处理算法 7

3.1 系统基本框图 7

3.2 正交雷达接收机 7

3.3 生命体征检测算法流程 9

3.4 谐波分析与反正切后的初始相位还原 11

3.4.1 谐波分析 11

3.4.2 谐波分析matlab仿真 12

3.4.3 初始相位还原算法 13

3.5 插值算法与准确度的提高 15

3.5.1 sinc插值法 15

3.5.2 插“0”滤波法 16

3.5.3 三次样条插值法 17

3.5.5 几种插值算法比较与选择 17

3.6 本章小结 21

第四章 基于STM32的算法实现 23

4.1 STM32 Cortex-M4开发板简介 23

4.2 基于STM32的FIR滤波器设计 24

4.2.1 呼吸信号滤波器设计 24

4.2.2 心跳信号滤波器设计 25

4.3 算法完成 27

4.3.1 反正切与滤波分离测试 27

4.3.2 STFT测试 29

4.3.3 插值测试 30

4.4.4 信号提取测试 30

4.4 本章小结 31

第五章 结束语 32

5.1 本论文总结 32

5.2 发展趋势 32

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

基于多普勒雷达的非接触式生命体征探测技术作为一种近年来不断发展的技术，得到越来越多人的关注，尤其在医疗领域，可以做到对患者的实时监护。作为该系统的核心，有效的信号处理算法显得颇为重要。本文旨在研究基于STM32的更高效的信号处理算法，从而开发出实时、低功耗和低成本的面向日常生理参数监护的多普勒雷达生命体征检测系统。

1.1 课题背景与意义

从上世纪70年代早期开始，多普勒雷达已经被用在感知生理活动方面。最初是用体积大，繁重并且昂贵的波导原件来做的。然而随着无线技术方面的研究进展以及集成芯片的发展，雷达可以制作在单芯片上，这样做到了紧凑、轻巧并且可以廉价的大量生产。随着电路设计越来越便宜和小型化，多普勒雷达在家庭监护中的使用也变得可能。尤其对于幼儿和成人的睡眠呼吸中止症，多普勒雷达提供了非接触式方式用于心跳和呼吸的检测^[1][21]。

如今随着社会经济的发展，对于病人的监护方式也越来越多元化，为了实时了解病人的呼吸心跳等生理参数，可穿戴式监测设备包括胸带、腕带等层出不穷，得到大量推广，尽管如此，可穿戴设备的接触式方式在很多场合依然存在着一定的局限性，例如对于大面积烧伤、婴幼儿等病人，接触式方式往往比较困难。非接触式的多普勒雷达在检测生理信号方面有着巨大的发展空间，其便捷，有较强的穿透力，无需传感器，不受气温等环境因素影响^[2][24]，因此，近年来多普勒雷达用于生命体征检测方面的研究也是得到了广泛的关注。

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